综述 工业建筑可变作用的概率模型及可靠度 姚继涛谷黄’幸坤涛 (1.西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055：2.中治建筑研究总院有限公司，北京100088) 摘要：对工业建筑可变作用的概率模型及可靠度研究现状进行了综述，包括工业建筑可变作用的概率模 型、工业建筑设计可靠度，既有工业建筑鉴定评级可靠度、工业建筑时变可靠度4个方面，揭示了当前研究的不 足。工业建筑可变作用包括品车有载、工业建筑楼面活荷载和屋面积灰荷载，当前我国相关技术标准中荷载标 准值的取值虽是建立在实测统计资料基础上的保守值，但对吊车荷载及荷载效应的概率模型仅做了初步研究 对工业建筑楼面活荷载和屋面积灰荷载的概模型目前尚未有研究。工业建筑设计的目标可靠指标是以民用 建筑设计校准结果为依据给定的，设计可靠度、鉴定分级可靠度的校准工作均采用民用建筑的可变作用和3种 简单荷载组合，未考虑工业建筑特殊可变作用，校准结果是保守和粗略的。工业建筑时变可靠度涉及结构耐久 性和吊车梁疲劳问恩，是工业建筑全寿命可靠性分析与控制的理论基础，应给予足够重视. 关键词：工业建筑：概率模型：设计可靠度：鉴定分级可靠度：时变可靠度 D0L10.13204小.gyj201808026 ON THE PROBABILITY MODELS OF VARIABLE ACTIONS FOR INDUSTRIA L BUILDINGS AND ITS RELIABIL YAO Jita GU Hui XING Kuntao Abstract:The eviewed the reliability of industrial building orobability models including gs of th research.The iable s of industrial buildings include the crane load,the live load on industria building floor and the fouling load on roof.The characteristic values of these loads in the related specifications of statistical d only th 。 f the civil buildine nsidering the variable actions of industrial buildings.The time endent reliability of industrial buildings was related to the tural durability and the fatigue problems of crane beams.It should be paid much enough attention as the theoretical basis for the life reliability analysis and control of industrial buildings reliability 工业建筑可变作用的概率模型及可靠度研究 停留在相略估算的水平，采用民用建筑的常用可变 包括工业建筑特有的可变作用（吊车荷载、楼面活 荷载、积灰昔载)率模型的确立、典型构件设计可 “十三五"国家重点研发计划资助(2016Y00701301-01)。 靠度的校准、既有工业建筑鉴定分级可靠度 确定 和工业建筑时变可事度的研究。由于当前工业 一作者：姚继涛，男，1965年出生.博士.教授. 通信作者：谷， u 163.com 可变作用概率模型尚未建立，其可靠度的研究一直 收日期：2018=04=1 工业建统2018年第48卷第8期147 C)1994-019 China Academie Joural Electronie Publishing House All rights reserved.http://www.cnki.ne
Industrial Construction Vol. 48，No. 8，2018 工业建筑 2018 年第 48 卷第 8 期 147 檮檮檮檮 檮檮 檮檮 檮檮檮檮 殑 殑 殑 殑 综 述 工业建筑可变作用的概率模型及可靠度* 姚继涛1 谷 慧1 幸坤涛2 ( 1． 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055; 2． 中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088) 摘 要: 对工业建筑可变作用的概率模型及可靠度研究现状进行了综述，包括工业建筑可变作用的概率模 型、工业建筑设计可靠度、既有工业建筑鉴定评级可靠度、工业建筑时变可靠度 4 个方面，揭示了当前研究的不 足。工业建筑可变作用包括吊车荷载、工业建筑楼面活荷载和屋面积灰荷载，当前我国相关技术标准中荷载标 准值的取值虽是建立在实测统计资料基础上的保守值，但对吊车荷载及荷载效应的概率模型仅做了初步研究， 对工业建筑楼面活荷载和屋面积灰荷载的概率模型目前尚未有研究。工业建筑设计的目标可靠指标是以民用 建筑设计校准结果为依据给定的，设计可靠度、鉴定分级可靠度的校准工作均采用民用建筑的可变作用和 3 种 简单荷载组合，未考虑工业建筑特殊可变作用，校准结果是保守和粗略的。工业建筑时变可靠度涉及结构耐久 性和吊车梁疲劳问题，是工业建筑全寿命可靠性分析与控制的理论基础，应给予足够重视。 关键词: 工业建筑; 概率模型; 设计可靠度; 鉴定分级可靠度; 时变可靠度 DOI: 10. 13204 / j． gyjz201808026 ON THE PＲOBABILITY MODELS OF VAＲIABLE ACTIONS FOＲ INDUSTＲIAL BUILDINGS AND ITS ＲELIABILITY YAO Jitao1 GU Hui1 XING Kuntao2 ( 1． School of Civil Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China; 2． Central Ｒesearch Institute of Building and Construction Co． Ltd，MCC，Beijing 100088，China) Abstract: The paper reviewed the reliability of industrial buildings and its probability models，including the probability models of variable actions，the design reliability of industrial buildings，the classification reliability of existing industrial buildings，and the time-variant reliability of industrial buildings． It revealed the shortcomings of the current research． The variable actions of industrial buildings include the crane load，the live load on industrial building floor and the fouling load on roof． The characteristic values of these loads in the related specifications of China are conservative based on the measured statistical data，but only the crane load and its load affection was preliminarily studied with some literatures． There are few studies for the corresponding probability models of the live load on industrial building floor and the fouling load on roof． The target reliability index of the industrial buildings design was based on the reliability calibration results of the civil buildings． The calibration works of the design reliability and the classification reliability were used the three simple load combinations in civil buildings，not considering the variable actions of industrial buildings． The time-dependent reliability of industrial buildings was related to the structural durability and the fatigue problems of crane beams． It should be paid much enough attention as the theoretical basis for the life reliability analysis and control of industrial buildings． Keywords: industrial buildings; probability models; design reliability; identification reliability; time-dependent reliability * “十三五”国家重点研发计划资助( 2016YFC0701301 － 01) 。 第一作者: 姚继涛，男，1965 年出生，博士，教授。 通信作者: 谷慧，guhuiyatou@ 163． com。 收稿日期: 2018 － 04 － 16 工业建筑可变作用的概率模型及可靠度研究， 包括工业建筑特有的可变作用( 吊车荷载、楼面活 荷载、积灰荷载) 概率模型的确立、典型构件设计可 靠度的校准、既有工业建筑鉴定分级可靠度的确定 和工业建筑时变可靠度的研究。由于当前工业建筑 可变作用概率模型尚未建立，其可靠度的研究一直 停留在粗略估算的水平，采用民用建筑的常用可变
荷载（办公楼、住宅棱楼面活荷载）的概率模型，给 用建筑结构荷载规范》)在设计重级工作制的吊车 出可可堂度分析结果的相对保守估。丁业建可堂庄 梁、上翼缘及其制动结构的强度和稳定性，以及连接 的研究，应在工业建筑特有的可变作用概率模型完 的强度时，首先取横向水平荷载为小车制动力的 善的基础上，考虑构件抗力和荷载效应的随机过程 守估计值，然后考虑卡轨力的影响，引入动力放 理论，对典型构件进行可靠度分析，确保工业建筑设 大系数。但从1988年修订凹9一74)以来，考虑此 计安全度，并对服役过程中的安全性、经济性、耐久 法在概会上不洁晰，决定不再使用.即当前GB 性以及科学管理提供优化理论，为既有工业建筑结 50009一2012中并未考虑卡轨力问 构诊治与性能提升提供理论依据，推进绿色工业建 2)计算排架考虑多台吊车荷载时，对参与组台 筑的发展进程， 的最大吊车台数予以规定，且荷载组合效应标准值 志文精工业建前口可恋作用的想盔横型、工业建 乘以折减系数。设计厂房的吊车梁和排架时，考虑 纳设计可靠府、旺右工业建锁鉴定评级可靠府、工业 参与组合的吊车台数是根据所计算的结构构件能同 建筑时变可靠度4个方面的研究进行综述，揭示当 生效应的吊车 台数确定，主要取决于柱距的 前工业建筑可靠度研究的不足 小和房跨间的数量，其次是各吊车同时聚集在同 一柱距范围内的可能性。老虑多台吊车悠向荷费 1工业建筑可变作用的概率模型 时，对单层品车的单跨厂房的每个排架，参与组合的 工业建筑的可变作用，与民用建筑有者明显的 吊车台数不宜多于2台：对单层吊车的多跨厂房 区别（主要指荷载标准值的计算原则、荷载概率花 每个排架，不宜多于4台：考虑多台吊车水平荷载 型及模型参数选取的区别，包括吊车荷载、工业建 时，对单跨或多跨厂房的每个排架，参与组合的吊车 锁楼面活荷载和屋面积灰荷载。其中，品车荷载和 台数不成多干2台。实际T程中名台吊车组合村 层而积灰荷载是民用建筑不涉及的荷载，工业律筑 司时满大、小行车均位干荷载效应品不利位写 棱面活荷载也因厂房的特殊性（设备荷载、堆料荷 的极端情况不 可能出现)，设计时的荷载组合 载、操作荷载)与民用建筑楼面活荷载大有不同 荷载组合效应标准值（最大荷载效应值）的折减值 1.1吊车荷我的设计规定及概率模型 折减系数的确定有以下两种方法：1)考虑排架柱 吊车荷载是可动可变的动态作用，其影响因素 两台吊车组合，折减系数取为两台吊车按一台满载 同时具有时间和空间上的随机性，变化过程在设计 台空载计算和按两台同时满载计算 使用年限内是 随机过程 GB 5000 载效应的比值 :2)考虑吊车荷载单独作用效应 《建筑结构荷载规范》基于实测调研给出了吊车 多台吊车荷载组合效应的概率模型，取为设计基准 荷载设计的保守规定，部分学者根据统计资料，初步 期内多台吊车荷载组合效应概率分布的平均值，与 律立了吊车的概密横型 各台吊车载效应均取设计基准期讲行组合的极 国内技术标准的相关设计规定 分布的平均值的比值。 CBJ 9- 87《健筑结构荷 吊车荷载包括吊车竖向荷载和水平荷截（横向 载规范》 和B68 84《建筑结构设计统 水平荷载和纵向水平荷载)，其中纵向水平荷载因 准》8分别采用了上术两种方法.GB50009一2012 大车制动引起，由柱间支撑承担，竖向荷载和横向水 沿用了GBJ68一84的相关期定，采用第一种方法 平荷载由横向排架体系（吊车梁和 排架柱)承担 在吊车竖向荷载组合效应分析结果的基础上，给出 GB5000 2012对参与设计的吊车荷载（包 守取值，横向水平荷载组合效应计算时直接 括吊车竖向荷载和水平荷载)，及涉及多台吊车组 用可。相关技术标准和文献对多台吊车荷载组合 合的荷载效应的相关却定，是想据北言、上海、汁阳 时折减系数的规定值列于表1。经对比，GB 鞍山、大连等地的厂房吊车实测数据及调查统计资 50009一2012的取值最为保守，这可能会带来不必 料制定的。因 测统计资料并不完善 规定是保 要的经济浪费 的但也是租略的，主要表现如下 1.1.2国外技术标准的相关设计规定 )品车横向水平荷线取小车制动力的保守估 相比于我国技术标准对吊车荷载的设计规定 计值。工程中的品车横向水平荷载包含小车制动力 欧洲标准EN1991-30作了更为详细的说明，其 和卡轨力，其中卡轨力指吊车运行时，由于轨道不 考虑的吊车荷载作用种类与我国基本相同，但对各 直、吊车行驶时的歪斜，及生产、使用中难以控制的 类吊车的荷载取值规定更为细化·其中桥式起重花 各种因素产生的横向水平力。T们9一74《工业与民 的竖向荷载由小车在吊车桥架上的位置决定，并要 148 工业建筑2018年第48基第8别 19China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
148 工业建筑 2018 年第 48 卷第 8 期 荷载( 办公楼、住宅楼楼面活荷载) 的概率模型，给 出可靠度分析结果的相对保守值。工业建筑可靠度 的研究，应在工业建筑特有的可变作用概率模型完 善的基础上，考虑构件抗力和荷载效应的随机过程 理论，对典型构件进行可靠度分析，确保工业建筑设 计安全度，并对服役过程中的安全性、经济性、耐久 性以及科学管理提供优化理论，为既有工业建筑结 构诊治与性能提升提供理论依据，推进绿色工业建 筑的发展进程。 本文对工业建筑可变作用的概率模型、工业建 筑设计可靠度、既有工业建筑鉴定评级可靠度、工业 建筑时变可靠度 4 个方面的研究进行综述，揭示当 前工业建筑可靠度研究的不足。 1 工业建筑可变作用的概率模型 工业建筑的可变作用，与民用建筑有着明显的 区别( 主要指荷载标准值的计算原则、荷载概率模 型及模型参数选取的区别) ，包括吊车荷载、工业建 筑楼面活荷载和屋面积灰荷载。其中，吊车荷载和 屋面积灰荷载是民用建筑不涉及的荷载，工业建筑 楼面活荷载也因厂房的特殊性( 设备荷载、堆料荷 载、操作荷载) 与民用建筑楼面活荷载大有不同。 1. 1 吊车荷载的设计规定及概率模型 吊车荷载是可动可变的动态作用，其影响因素 同时具有时间和空间上的随机性，变化过程在设计 使用年限内是一个随机过程［1］。GB 50009—2012 《建筑结构荷载规范》［2］基于实测调研给出了吊车 荷载设计的保守规定，部分学者根据统计资料，初步 建立了吊车荷载的概率模型。 1. 1. 1 国内技术标准的相关设计规定 吊车荷载包括吊车竖向荷载和水平荷载( 横向 水平荷载和纵向水平荷载) ，其中纵向水平荷载因 大车制动引起，由柱间支撑承担，竖向荷载和横向水 平荷载由横向排架体系( 吊车梁和排架柱) 承担。 GB 50009—2012［2］对参与设计的吊车荷载( 包 括吊车竖向荷载和水平荷载) ，及涉及多台吊车组 合的荷载效应的相关规定，是根据北京、上海、沈阳、 鞍山、大连等地的厂房吊车实测数据及调查统计资 料制定的。因实测统计资料并不完善，规定是保守 的但也是粗略的，主要表现如下: 1) 吊车横向水平荷载取小车制动力的保守估 计值。工程中的吊车横向水平荷载包含小车制动力 和卡轨力，其中卡轨力指吊车运行时，由于轨道不 直、吊车行驶时的歪斜，及生产、使用中难以控制的 各种因素产生的横向水平力。TJ 9—74《工业与民 用建筑结构荷载规范》［3］在设计重级工作制的吊车 梁、上翼缘及其制动结构的强度和稳定性，以及连接 的强度时，首先取横向水平荷载为小车制动力的保 守估计值［4］，然后考虑卡轨力的影响，引入动力放 大系数。但从 1988 年修订 TJ 9—74［3］以来，考虑此 法在 概 念 上 不 清 晰，决 定 不 再 使 用，即 当 前 GB 50009—2012 中并未考虑卡轨力［2］。 2) 计算排架考虑多台吊车荷载时，对参与组合 的最大吊车台数予以规定，且荷载组合效应标准值 乘以折减系数。设计厂房的吊车梁和排架时，考虑 参与组合的吊车台数是根据所计算的结构构件能同 时产生效应的吊车台数确定，主要取决于柱距的大 小和厂房跨间的数量，其次是各吊车同时聚集在同 一柱距范围内的可能性。考虑多台吊车竖向荷载 时，对单层吊车的单跨厂房的每个排架，参与组合的 吊车台数不宜多于 2 台; 对单层吊车的多跨厂房的 每个排架，不宜多于 4 台; 考虑多台吊车水平荷载 时，对单跨或多跨厂房的每个排架，参与组合的吊车 台数不应多于 2 台。实际工程中多台吊车组合时， 同时满载且大、小行车均位于荷载效应最不利位置 的极端情况不可能出现［5］，设计时的荷载组合值取 荷载组合效应标准值( 最大荷载效应值) 的折减值。 折减系数的确定有以下两种方法: 1) 考虑排架柱上 两台吊车组合，折减系数取为两台吊车按一台满载， 一台空载计算和按两台同时满载计算的柱上最大荷 载效应的比值［5］; 2) 考虑吊车荷载单独作用效应和 多台吊车荷载组合效应的概率模型，取为设计基准 期内多台吊车荷载组合效应概率分布的平均值，与 各台吊车荷载效应均取设计基准期进行组合的极值 分布的平均值的比值［6］。GBJ 9—87《建筑结构荷 载规范》［7］ 和 GBJ 68—84《建筑结构设计统一标 准》［8］分别采用了上述两种方法，GB 50009—2012 沿用了 GBJ 68—84 的相关规定，采用第二种方法， 在吊车竖向荷载组合效应分析结果的基础上，给出 保守取值，横向水平荷载组合效应计算时直接引 用［9］。相关技术标准和文献对多台吊车荷载组合 时折 减 系 数 的 规 定 值 列 于 表 1。经 对 比，GB 50009—2012 的取值最为保守，这可能会带来不必 要的经济浪费。 1. 1. 2 国外技术标准的相关设计规定 相比于我国技术标准对吊车荷载的设计规定， 欧洲标准 EN 1991 － 3［10］作了更为详细的说明，其 考虑的吊车荷载作用种类与我国基本相同，但对各 类吊车的荷载取值规定更为细化。其中桥式起重机 的竖向荷载由小车在吊车桥架上的位置决定，并要
表1吊车荷载的折减系数 Table 1 Reduction factors of the crane load 序号吊车工作制程我日文然D) 10CT27584一88苏联荷载规范 文献[6] CB50009-2012 中级制 0.73-0.92 0.70 0.0 0.90 重级用 0.83-0.95 0.95 0.80 0.9 0.90 0.85 求考虑轮压对于轨道的偏心距（建议取为轨道上翼 击影响系数类似于我国规定的动力系数，仅对竖向 缘有效宽度的25%) 水平荷载分为5种类别：由 荷载进行放大：横向水平力取小车和额定吊重的 大车加速或减速引起的水平荷载：由小车加速或 20%,纵向水平力取最大轮压的10%，荷载取值 速引起的水平荷载：由吊车在曲引起的水平荷载 法基本上与我国相同。 (卡轨力)：大车移动时的摆冲力：小车移动时的缓 1.1.3吊车昔载橱率模型 冲力。设计时仅取5种水平荷载中的一种参与其他 目前，国外尚无吊车荷载及荷载效应概率模型 荷载的组合。对于悬挂吊车，水平荷载至少为最大 的相关具体研究，仅在国际标准化组织颁布的S0 竖向轮压的10% 2394:2015和结构安全联合委员会SC有 EN1991-3在计算吊车荷载标准值时，给出 的《概率模型规定》 ]中给出了可变荷载概率模型 不同工况下动力系数的7个不同取值。与我国技术 的确定方法及建议模型。我国对吊车荷载概率模型 标准要求不同的是：其对水平荷载和吊车偶然作用 的研究主要集中在二十世纪八九，十年代，当时为修 也给出了考虑振动的动力系数取值，且动力系数的 订9一74四中的定值法设计原则，对相关调研资 则较我国复杂，部分需经过简单计算才能 料进行了统计分析，期望采用随机过程概率模型描 定 述吊车荷载， EN1991-3对因大车制动引起的水平荷载的 吊车荷载是可动可变的动态作用，具有时间和 计算与我国规定相差不大，但对由小车制动引起的 空间上的双维度随机性，荷载作用过程在设计使用 水平荷载的规定，与我国基于调查数据的经验系数 年限内被视为随机过程四，荷载的概率模型包括吊 法不同，其取值基于与大车制动力引起起重机中心 车荷载任意时点的概率模型、设计基准期内最 弯矩的平衡计算得出，与前述考虑水平荷载5选 的概率模型和多台吊车荷载组合效应的概率模型 的规则相符，其实质是将两种不同方向的水平荷载 杨伟军等根据统计资料，分别对吊车竖向荀载和 作等效处理，而我国是将两种荷载予以分别考虑 横向水平荷载的概率模型做了初步研究 EN1991-3对卡轨力作了详细的计算说明，考 吊车竖向荷载：1)任意时点的概率分布：以无 虑了祸合作用系数和轨道的偏斜角度，而我国对 量纲量（实测吊车轮压与吊车额定最大轮压的日 轨力的研究成果尚不完善，在假设轨道无偏斜的前 值)作为基本统计量，经分布拟合和K8检验，确员 提下，依据实测资料对横向水平荷载给予保守规定 为极值I型分布，均值系数和变异系数由统计结果 将卡轨力隐含考忠。 给出：2)设计基准期内最大值的概率分布：假设为 EN1991-3中对计算多台吊车的组合效应时 极值1型分布，取额定最大轮压值作为荷载标准值 考虑的位 于最不利位置的吊车数量的规定如下： 并以其为最大值分布的 0.95 分位 数为原则，确定 于单层单跨厂房，计算竖向荷载效应时取3台，计第 型参数，计算均值系数和变异系 这种以荷载 水平荷载效应时取2台：对于单层彩跨厂房，计算竖 标准值的保证率计算模型参数的方法，是基于传统 向荷载效应时主跨取4台，次跨取2台，计算水平荷 经验设计法的理论反推，并未考虑荷载实际的随机 我效应时均取2台。 过程，在本质上是缺乏统计理论的经验方法 EN199 -6和EN 199 、9g 根据团 吊车横 水平荷载：)任意时点的橱 率分布 1991-3中吊车荷载取值的相关规定，对吊车梁的设 以采用直接法或间接法测试的吊车横向水平荷载系 计及疲劳计算作了专门说明，我国对此没有设立单 数（横向水平荷载值与小车自重和吊重和的比值） 独的规范。 作为基本统计量，经分布拟合和KS检验，确定 美国ASCE7-05对吊车荷载的规定相对较 为极值【型分布，均值系数和变异系数由统计结果 少，指出了设计吊车梁时应考虑最大轮压、垂直冲司 给出：2)设计基准期内最大值的概率分布。采用极 影响系数、横向水平力和纵向水平力。其中垂直种 值理论，取设计基准期内荷载的平均变动10次，确 工业建筑可变作用的概单模型及可靠度 一姚继涛，等 14g 194-019 China Academic Joumal Electronic Publishing Hous All rights reserved www.cnki.net
工业建筑可变作用的概率模型及可靠度———姚继涛，等 149 表 1 吊车荷载的折减系数 Table 1 Ｒeduction factors of the crane load 序号 吊车工作制 TJ 9 － 74 修订稿［4］ 文献［9］ ГOCT 27584—88 苏联荷载规范 文献［6］ GB 50009—2012 2 台 4 台 2 台 4 台 2 台 3 台 4 台 1 轻级制 — — 0. 85 0. 70 0. 85 0. 70 0. 90 0. 85 0. 80 2 中级制 0. 9 0. 73 ～ 0. 92 0. 85 0. 70 0. 90 0. 75 0. 90 0. 85 0. 80 3 重级制 1. 0 0. 85 ～ 0. 95 0. 95 0. 80 0. 95 0. 80 0. 95 0. 90 0. 85 求考虑轮压对于轨道的偏心距( 建议取为轨道上翼 缘有效宽度的 25% ) 。水平荷载分为 5 种类别: 由 大车加速或减速引起的水平荷载; 由小车加速或减 速引起的水平荷载; 由吊车歪曲引起的水平荷载 ( 卡轨力) ; 大车移动时的缓冲力; 小车移动时的缓 冲力。设计时仅取 5 种水平荷载中的一种参与其他 荷载的组合。对于悬挂吊车，水平荷载至少为最大 竖向轮压的 10% 。 EN 1991 － 3 在计算吊车荷载标准值时，给出了 不同工况下动力系数的 7 个不同取值。与我国技术 标准要求不同的是: 其对水平荷载和吊车偶然作用 也给出了考虑振动的动力系数取值，且动力系数的 选取原则较我国复杂，部分需经过简单计算才能 确定［10］。 EN 1991 － 3 对因大车制动引起的水平荷载的 计算与我国规定相差不大，但对由小车制动引起的 水平荷载的规定，与我国基于调查数据的经验系数 法不同，其取值基于与大车制动力引起起重机中心 弯矩的平衡计算得出，与前述考虑水平荷载 5 选 1 的规则相符，其实质是将两种不同方向的水平荷载 作等效处理，而我国是将两种荷载予以分别考虑。 EN 1991 － 3 对卡轨力作了详细的计算说明，考 虑了耦合作用系数和轨道的偏斜角度，而我国对卡 轨力的研究成果尚不完善，在假设轨道无偏斜的前 提下，依据实测资料对横向水平荷载给予保守规定， 将卡轨力隐含考虑。 EN 1991 － 3 中对计算多台吊车的组合效应时， 考虑的位于最不利位置的吊车数量的规定如下: 对 于单层单跨厂房，计算竖向荷载效应时取 3 台，计算 水平荷载效应时取 2 台; 对于单层多跨厂房，计算竖 向荷载效应时主跨取 4 台，次跨取 2 台，计算水平荷 载效应时均取 2 台。 EN 1993 － 6［11］ 和 EN 1993 － 1 － 9［12］ 根据 EN 1991 －3 中吊车荷载取值的相关规定，对吊车梁的设 计及疲劳计算作了专门说明，我国对此没有设立单 独的规范。 美国 ASCE 7 － 05［13］对吊车荷载的规定相对较 少，指出了设计吊车梁时应考虑最大轮压、垂直冲击 影响系数、横向水平力和纵向水平力。其中垂直冲 击影响系数类似于我国规定的动力系数，仅对竖向 荷载进行放大; 横向水平力取小车和额定吊重的 20% ，纵向水平力取最大轮压的 10% ，荷载取值方 法基本上与我国相同。 1. 1. 3 吊车荷载概率模型 目前，国外尚无吊车荷载及荷载效应概率模型 的相关具体研究，仅在国际标准化组织颁布的 ISO 2394∶ 2015［14］和结构安全联合委员会( JSCC) 颁布 的《概率模型规定》［15］中给出了可变荷载概率模型 的确定方法及建议模型。我国对吊车荷载概率模型 的研究主要集中在二十世纪八九十年代，当时为修 订 TJ 9—74［3］中的定值法设计原则，对相关调研资 料进行了统计分析，期望采用随机过程概率模型描 述吊车荷载。 吊车荷载是可动可变的动态作用，具有时间和 空间上的双维度随机性，荷载作用过程在设计使用 年限内被视为随机过程［1］，荷载的概率模型包括吊 车荷载任意时点的概率模型、设计基准期内最大值 的概率模型和多台吊车荷载组合效应的概率模型。 杨伟军等［16］根据统计资料，分别对吊车竖向荷载和 横向水平荷载的概率模型做了初步研究。 吊车竖向荷载: 1) 任意时点的概率分布: 以无 量纲量( 实测吊车轮压与吊车额定最大轮压的比 值) 作为基本统计量，经分布拟合和 K-S 检验，确定 为极值 I 型分布，均值系数和变异系数由统计结果 给出; 2) 设计基准期内最大值的概率分布: 假设为 极值 I 型分布，取额定最大轮压值作为荷载标准值， 并以其为最大值分布的 0. 95 分位数为原则，确定模 型参数，计算均值系数和变异系数［16］。这种以荷载 标准值的保证率计算模型参数的方法，是基于传统 经验设计法的理论反推，并未考虑荷载实际的随机 过程，在本质上是缺乏统计理论的经验方法。 吊车横向水平荷载: 1) 任意时点的概率分布。 以采用直接法或间接法测试的吊车横向水平荷载系 数( 横向水平荷载值与小车自重和吊重和的比值) 作为基本统计量［16］，经分布拟合和 K-S 检验，确定 为极值 I 型分布，均值系数和变异系数由统计结果 给出; 2) 设计基准期内最大值的概率分布。采用极 值理论，取设计基准期内荷载的平均变动 10 次，确
定为极值1型分布，计算模型参数，并以上述分布的 件车间、棉纺织车间、轮胎准备车间和粮食加工车 平均估作为标准估[6。GB50153 2008《T程结松 可.可按GB50009 2012回附录D,根据板整、次烫 可靠性设计统 标准》指出：作用标准值应按 间距、主架和车间名称选取。附录D对工业建筑楼 设计基准期内最不利作用概率分布具有一定保证率 面活荷载的标准值的规定，是按级差选取的，基本沿 的分位值确定，此处取为分布函数的0.5分位值，即 用了门9一74)的相关规定。附录中荷载标准值的 仅有50%的保证率.从取值原最剧上讲是非常激 取值是由等效换算原则确定的.即将调查资料中有 进的-可， 代表性的设备以最小间距布置在最不利位置，并逐 实际上，上述横向水平荷载设计基准期最大值 项计算等效均布活荷载，取接近 最大值的整数值 分布确定时，取荷载平均变动10次，即荷载的独 作为荷载标准值的最终值四。实际调查中发现，这 统计周期划分为5年，周期间的相关性较大，与极值 种极端最不利情况（全部最重设备、最密间距、作用 理论对统计周期独立性的要求相悖，对于一般的桥 在最不利位置)是不可能出现的，设计取值偏于 式起重机，吊车工作制为20年，根据极值理论对 保守 计周期的选取原则，理论上应取基准期内平均变动 对无设备区域的操作荷载.设计中荷载标准值 次数为5020.因此文献「161所确定的荷找模型参 按均布活荷载2kN/m2考虑，对推料较名的车间，操 数过于保守，标准值在以20年为统计周期确定的荷 作荷载取为2.5kN/m2。对生产车间的楼梯活荷载 载模型中具有高于0.5的保证率 和参观走廊活荷载，取为3.5kN/m2四 对吊车荷载组合效应概率模型的研究，杨伟 但是，历史调查资料和传统文献并未给出工业 等以数值摸拟为基础，借助Monte-Carlo法，通过拉 建筑楼面活荷载的概率分布及统计参数 ,相比力 制模拟的次数来控制误差和精度，并对随机所得的 公楼和律宅携楼面活箭找概率模刑的研究其枝形 荷载效应数据进行95%置信水平下的拟合分布检 有待进一步提出。工业楼面活荷载与民用建筑楼面 得出极值1型分布模型的 及相应的统计 活荷载的荷载性质是相同的，区别仅在 前者集中 这种方法所得的统计估计值具有随机性，员 荷载值和集中作用区域相对更大，故仍可将其概 然不是一个确定的解，其误差无法结确给出，一般仅 分布近似确定为极值「型，而其相应的模型参数需 用于可靠度近似方法分析的精度校核。T山9一4修 寻找有效的方法予以确定。 可组，借助影响线法进行了吊车荷载效应的组合分 1.3 屋面积灰荷载的设计规定及概率模型 析，考虑吊车出现在影响线上的概率为其在 影明 GB50009 2012编制时，针对屋面积灰荷 内运行的长度与车间内运行总长度的比值 载，实测调查了15个治金厂的25个车间，18个铸 而，文献21指出结构安全性设计应该考虑的是吊 浩车间、10个水混厂的27个车间.分析了各屋面的 车荷载在运行范围中可能出现的最不利情况，在实 结构情况、设计时采用的积灰荷载、除尘装置及使用 际调查任意时点影响线内吊车的台数时发现，吊车 情况、清灰 度及执行情况 屋面 不同都 出现的概率要远高于按运行长度确定的概率 灰源距离、不同风向下 一定时间内的积灰厚度、日积 要接近100%，但全部品车满载的可能性几乎为零 灰量、灰的性质和不同都度下灰的重府。话时对出 针对上述不足，文献「21门采用修正的Trukstra组合 屋面积灰湿容重和屋面最大容许积灰厚度，最终确 规则和误差传递公式，确定了多台吊车组合效应的 同级别考虑积灰荷载的标准值取值四。对 概率模型（极值 1型) 和统计参数，方法虽具有较 有大量排灰的厂房及其邻近建筑，具有 定除尘设 的理论意义，但样本统计数据陈旧，有待更新，获取 施和保证清灰制度的机械、治金、水泥等的厂房屋 充足的统计样本是个量大而广的工程，希望相关研 面，积灰荷载标准值按厂房类别取0.2,0.3.0.5 究人品千以重视。 75.10kN/m2不统 楼面活荷我的设计规定及概率模型 我 当前并未建立积灰荷载及其荷载效应的 工业建筑楼面活荷载，应根据功能要求按设备 率模型，仅有不同厂房的平均日积灰量和积灰重及 楼面活荷找和非设备区楼面活荷载分别考虑。对 的调查实测资料，一般而言，最大积灰荷载因清 于设备区楼面，或堆放原料、成品拉多较重的区域 灰制度的不同而不同，若假设清灰制度一定，则积灰 楼面活荷载值相对民用建筑楼面活荷载大，计算时 荷载多数集中于数值相对较小的范围，其分布函数 可按等效均布活荷载原则确定 具有极值1型分布的特征，模型参数需寻找合理的 对于一般的金工车间、仪器仪表车间、半导体器 方法，根据积灰重度，日积灰量、清灰制度及相应的 150 工业建筑2018年第48基第8别 19China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
150 工业建筑 2018 年第 48 卷第 8 期 定为极值 I 型分布，计算模型参数，并以上述分布的 平均值作为标准值［16］。GB 50153—2008《工程结构 可靠性设计统一标准》［17］指出: 作用标准值应按在 设计基准期内最不利作用概率分布具有一定保证率 的分位值确定，此处取为分布函数的 0. 5 分位值，即 仅有 50% 的 保 证 率，从取值原则上讲是非常激 进的［18 － 20］。 实际上，上述横向水平荷载设计基准期最大值 分布确定时，取荷载平均变动 10 次，即荷载的独立 统计周期划分为 5 年，周期间的相关性较大，与极值 理论对统计周期独立性的要求相悖，对于一般的桥 式起重机，吊车工作制为 20 年，根据极值理论对统 计周期的选取原则，理论上应取基准期内平均变动 次数为 50 /20，因此文献［16］所确定的荷载模型参 数过于保守，标准值在以 20 年为统计周期确定的荷 载模型中具有高于 0. 5 的保证率。 对吊车荷载组合效应概率模型的研究，杨伟军 等以数值模拟为基础，借助 Monte-Carlo 法，通过控 制模拟的次数来控制误差和精度，并对随机所得的 荷载效应数据进行 95% 置信水平下的拟合分布检 验，得出极值 I 型分布模型的结论及相应的统计参 数［16］。这种方法所得的统计估计值具有随机性，显 然不是一个确定的解，其误差无法精确给出，一般仅 用于可靠度近似方法分析的精度校核。TJ 9—74 修 订组，借助影响线法进行了吊车荷载效应的组合分 析，考虑吊车出现在影响线上的概率为其在影响线 内运行的长度与车间内运行总长度的比值［9］。然 而，文献［21］指出结构安全性设计应该考虑的是吊 车荷载在运行范围中可能出现的最不利情况，在实 际调查任意时点影响线内吊车的台数时发现，吊车 出现的概率要远高于按运行长度确定的概率，一般 要接近 100% ，但全部吊车满载的可能性几乎为零。 针对上述不足，文献［21］采用修正的 Trukstra 组合 规则和误差传递公式，确定了多台吊车组合效应的 概率模型( 极值 I 型) 和统计参数，方法虽具有较强 的理论意义，但样本统计数据陈旧，有待更新，获取 充足的统计样本是个量大而广的工程，希望相关研 究人员予以重视。 1. 2 楼面活荷载的设计规定及概率模型 工业建筑楼面活荷载，应根据功能要求按设备 区楼面活荷载和非设备区楼面活荷载分别考虑。对 于设备区楼面，或堆放原料、成品较多较重的区域， 楼面活荷载值相对民用建筑楼面活荷载大，计算时 可按等效均布活荷载原则确定［22］。 对于一般的金工车间、仪器仪表车间、半导体器 件车间、棉纺织车间、轮胎准备车间和粮食加工车 间，可按 GB 50009—2012［2］附录 D，根据板跨、次梁 间距、主梁和车间名称选取。附录 D 对工业建筑楼 面活荷载的标准值的规定，是按级差选取的，基本沿 用了 TJ 9—74［3］的相关规定。附录中荷载标准值的 取值是由等效换算原则确定的，即将调查资料中有 代表性的设备以最小间距布置在最不利位置，并逐 项计算等效均布活荷载，取接近于最大值的整数值， 作为荷载标准值的最终值［22］。实际调查中发现，这 种极端最不利情况( 全部最重设备、最密间距、作用 在最不利位 置) 是不可能出现的，设 计 取 值 偏 于 保守。 对无设备区域的操作荷载，设计中荷载标准值 按均布活荷载2 kN /m2 考虑，对堆料较多的车间，操 作荷载取为 2. 5 kN /m2 。对生产车间的楼梯活荷载 和参观走廊活荷载，取为 3. 5 kN /m2［22］。 但是，历史调查资料和传统文献并未给出工业 建筑楼面活荷载的概率分布及统计参数［22］，相比办 公楼和住宅楼楼面活荷载概率模型的研究，其模型 有待进一步提出。工业楼面活荷载与民用建筑楼面 活荷载的荷载性质是相同的，区别仅在于，前者集中 荷载值和集中作用区域相对更大，故仍可将其概率 分布近似确定为极值 I 型，而其相应的模型参数需 寻找有效的方法予以确定。 1. 3 屋面积灰荷载的设计规定及概率模型 GB 50009—2012［2］ 编制 时，针对屋面积灰荷 载，实测调查了 15 个冶金厂的 25 个车间、18 个铸 造车间、10 个水泥厂的 27 个车间，分析了各屋面的 结构情况、设计时采用的积灰荷载、除尘装置及使用 情况、清灰制度及执行情况、屋面上不同部位、不同 灰源距离、不同风向下一定时间内的积灰厚度、日积 灰量、灰的性质和不同湿度下灰的重度。通过对比 屋面积灰湿容重和屋面最大容许积灰厚度，最终确 定按不同级别考虑积灰荷载的标准值取值［23］。对 有大量排灰的厂房及其邻近建筑，具有一定除尘设 施和保证清灰制度的机械、冶金、水泥等的厂房屋 面，积灰荷载标准值按厂房类别取 0. 2，0. 3，0. 5， 0. 75，1. 0 kN /m2 不等［23］。 我国当前并未建立积灰荷载及其荷载效应的概 率模型，仅有不同厂房的平均日积灰量和积灰重度 的调查实测资料［23］，一般而言，最大积灰荷载因清 灰制度的不同而不同，若假设清灰制度一定，则积灰 荷载多数集中于数值相对较小的范围，其分布函数 具有极值 I 型分布的特征，模型参数需寻找合理的 方法，根据积灰重度，日积灰量、清灰制度及相应的
昔载级别取值千以确定， 上述标准在校准时没有考虑工业建筑的特殊性，采 用与民用律筑同等的目标可靠指标，有待讲一步 2设计可靠度的研究 老究 设计可靠度研究，涉及构件设计时的目标可菊 22设计可靠指标有待进一步确定 指标和设计可靠指标。前者在设计方法中各分项系 目前我国工业建筑采用的结构设计方法是以可 数、组合系数确定之前确定，后者是在设计方法确定 竞度理论为基钟采用分项系数设计表达式表达的 后经校准所得。 概率极明状态设计法，设计中的变量和参数（加材 2.1 目标可靠指标有待考究 料分项系数、荷载分项系数、多种荷载共同作用的 构件设计选用的目标可靠指标，是其可接受的 合值系数)的取值应按概率方法确定。然而，由于 最低可靠指标四，作为结构优化设计的控制因素， 获取各变量的统计数据有很多困难，因此对工业建 理论上应由各结构的重要性、失效后果、破坏性质 筑设计中的相关参数是以民用建筑概率分析为基 经济指标等因素确定。当前目标可靠指标的确定有 础，根据工程经验确定的，规范的科学性和设计的质 两种方案 一种是采用类比失效概率，针对不同建到 量将受到影响-。 失效后果和安全措施的相对成本，给出可接受的年 理论上，相比于单一安全系数表达式，采用分项 失效概率，由年失效概率确定年可靠指标：一种是根 系数设计表达式，在不同的荷载效应比值下.可获得 据传统的设计标准，采用“校准法”确定基于臣标泪 较好的可靠度一致性，但分析表明：按目前的分项系 数方法设计的结构可靠度 致性仍较差。这是 文献[15]和1s02394 采用了第 一种万 因为技术标准中对分项系数的确定，考虑了单 法，欧洲EN1990、美国ASCE1]和GB50068- 全系数法的成熟经验，以影响结构安全的基本量行 2017《肆筑结构可靠度统计统一标准》采用了“按 为随机变量，借助统计分析和概率反算，是经转轨套 谁法 改所得的过波办法，属于半概率设计方法。其取 “校准法”默认原经验设计标准的可靠度水 值是以设计可靠指标与目标可靠指标 一致为原则 总体上的合理性，在原标准基础上反演分析，确定末 对恒载+办公楼楼面活荷载，恒载+住宅楼面活局 来结构的安全水平，是对原经验设计标准的继承和 载，恒载+风荷载3种简单组合情况优化计算所 发展方法简单可行，在国内外得到了广泛应用」 得。文献「171指出，对干可变荷载（吊车荷载 “校准法”的优点在于：继承了原规范的安全水准 工业楼面活荷载及积灰荷载情况) 因缺乏统计资 保持了规范安全水准的连续性，避免了结构失效概 料，GB68一84未作分析计算，目前只能根据工程 率运算值与真正失效率概念的混淆。我国GB) 经合确定 68一84考虑设计中常用构件和其在结构工程中 因此，采用橱率极限状态设计法设计的工业 的用量比例，选取14种有代表性的构件，采用？ 筑，其可靠指标仍是未知的，需在工业建筑可变作用 荷单的常遇荷组合（恒载+办公楼棱面活荷载 概率模型确定的基础上，对当前设计规范做进 恒载+住宅楼面活荷载、恒载+风荷载)及常用福 校准。同时，对原技术标准基于单一安全系数设 载效应比，通过调查统计抗力及荷载的各模型参数 法的设计可靠度也应做进一步校准，以验证新旧标 采用概率方法校准了安全系数设计法隐含的可靠指 准工业建筑设计可靠度的一致性。 标，以反映我国 构 可靠度的 一般水准 校准结 总体平均值为3.3，延性破坏对应的平均值为322 鉴定分级可靠度的研究 并以此为依据规定一般工业与民用建筑的各构科 目前，GB50144一2008《工业建筑可靠性鉴定 (二级安全等级)，延性破坏的目标可靠指标为 标准》采用“校准法”确定鉴定分级可靠度平均 3.2,对破坏前无明显征兆的跪性破坏为3.7，并沿 水平时，由于工业建筑可变作用的概率模型尚未建 用至今 立，故引用民用建筑的可变荷载进行分析 ,校准结 虽然“校准法”对原标准不一致的安全系数设 存在偏差，但目前尚未有相关研究成果 ,若能 计法给予了一致的可靠度度量2，但值得注意的 科学建立工业建筑可变作用的概率模型，可据此对 是：工业建销与民用建锁相比，比工作环境的复杂树 标准中鉴定分级可度重新准」 不容忽视，特别是吊车荷载、积灰荷载、大型设备 工业筑可靠性鉴定标准的发 堆积荷载等的概率特性，与常用校准荷载酸然不同， 我国建筑诊断改造领域的第一部标准是YBJ 工业建筑可变作用的概单模型及可靠度 一姚继涛，等 151 1994-2019 China Academic Joumal Eleetronie Publishing Hous All rights reserved http: /www.cnki.ne
工业建筑可变作用的概率模型及可靠度———姚继涛，等 151 荷载级别取值予以确定。 2 设计可靠度的研究 设计可靠度研究，涉及构件设计时的目标可靠 指标和设计可靠指标。前者在设计方法中各分项系 数、组合系数确定之前确定，后者是在设计方法确定 后经校准所得。 2. 1 目标可靠指标有待考究 构件设计选用的目标可靠指标，是其可接受的 最低可靠指标［24］，作为结构优化设计的控制因素， 理论上应由各结构的重要性、失效后果、破坏性质、 经济指标等因素确定。当前目标可靠指标的确定有 两种方案: 一种是采用类比失效概率，针对不同建筑 失效后果和安全措施的相对成本，给出可接受的年 失效概率，由年失效概率确定年可靠指标; 一种是根 据传统的设计标准，采用“校准法”确定基于原标准 的目标可靠指标值，有效继承原设计方法的可靠经 验［24 － 25］。文献［15］和 ISO 2394［14］采用了第一种方 法，欧洲 EN 1990［26］、美国 ASCE［13］和 GB 50068— 2017《建筑结构可靠度统计统一标准》采用了“校 准法”。 “校准法”默认原经验设计标准的可靠度水准 总体上的合理性，在原标准基础上反演分析，确定未 来结构的安全水平，是对原经验设计标准的继承和 发展，方法简单可行，在国内外得到了广泛应用。 “校准法”的优点在于: 继承了原规范的安全水准， 保持了规范安全水准的连续性，避免了结构失效概 率运算值与真正失效率概念的混淆［27］。我国 GBJ 68—84［8］考虑设计中常用构件和其在结构工程中 的用量比例，选取 14 种有代表性的构件，采用 3 种 简单的常遇荷载组合( 恒载 + 办公楼楼面活荷载、 恒载 + 住宅楼面活荷载、恒载 + 风荷载) 及常用荷 载效应比，通过调查统计抗力及荷载的各模型参数， 采用概率方法校准了安全系数设计法隐含的可靠指 标，以反映我国结构可靠度的一般水准。校准结果 总体平均值为 3. 3，延性破坏对应的平均值为 3. 22， 并以此为依据规定一般工业与民用建筑的各构件 ( 二级安全等级) ［26］，延性破坏的目标可靠指标为 3. 2，对破坏前无明显征兆的脆性破坏为 3. 7，并沿 用至今［26］。 虽然“校准法”对原标准不一致的安全系数设 计法给予了一致的可靠度度量［28］，但值得注意的 是: 工业建筑与民用建筑相比，其工作环境的复杂性 不容忽视，特别是吊车荷载、积灰荷载、大型设备及 堆积荷载等的概率特性，与常用校准荷载截然不同， 上述标准在校准时没有考虑工业建筑的特殊性，采 用与民用建筑同等的目标可靠指标，有待进一步 考究。 2. 2 设计可靠指标有待进一步确定 目前我国工业建筑采用的结构设计方法是以可 靠度理论为基础，采用分项系数设计表达式表达的 概率极限状态设计法，设计中的变量和参数( 如材 料分项系数、荷载分项系数、多种荷载共同作用的组 合值系数) 的取值应按概率方法确定。然而，由于 获取各变量的统计数据有很多困难，因此对工业建 筑设计中的相关参数是以民用建筑概率分析为基 础，根据工程经验确定的，规范的科学性和设计的质 量将受到影响［28 － 29］。 理论上，相比于单一安全系数表达式，采用分项 系数设计表达式，在不同的荷载效应比值下，可获得 较好的可靠度一致性，但分析表明: 按目前的分项系 数方法设计的结构可靠度一致性仍较差［29］。这是 因为技术标准中对分项系数的确定，考虑了单一安 全系数法的成熟经验，以影响结构安全的基本量作 为随机变量，借助统计分析和概率反算，是经转轨套 改所得的过渡办法，属于半概率设计方法［30］。其取 值是以设计可靠指标与目标可靠指标一致为原则， 对恒载 + 办公楼楼面活荷载，恒载 + 住宅楼面活荷 载，恒载 + 风荷载 3 种简单组合情况优化计算所 得［30］。文献［17］指出，对于可变荷载( 吊车荷载、 工业楼面活荷载及积灰荷载情况) ，因缺乏统计资 料，GBJ 68—84［8］未作分析计算，目前只能根据工程 经验确定。 因此，采用概率极限状态设计法设计的工业建 筑，其可靠指标仍是未知的，需在工业建筑可变作用 概率模型确定的基础上，对当前设计规范做进一步 校准。同时，对原技术标准基于单一安全系数设计 法的设计可靠度也应做进一步校准，以验证新旧标 准工业建筑设计可靠度的一致性。 3 鉴定分级可靠度的研究 目前，GB 50144—2008《工业建筑可靠性鉴定 标准》［31］采用“校准法”确定鉴定分级可靠度平均 水平时，由于工业建筑可变作用的概率模型尚未建 立，故引用民用建筑的可变荷载进行分析，校准结果 存在偏差，但目前尚未有相关研究成果［32 － 34］，若能 科学建立工业建筑可变作用的概率模型，可据此对 标准中鉴定分级可靠度重新校准。 3. 1 工业建筑可靠性鉴定标准的发展 我国建筑诊断改造领域的第一部标准是 YBJ